Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 9
1.1 Проблема утилизации осадков сточных вод 9
1.2 Влияние осадков сточных вод на плодородие почв 13
1.3 Влияние осадков сточных вод и компостов на биопродуктивность и качество сельскохозяйственных культур 18
1.4 Влияние осадков сточных вод на почвенные организмы
2. Программа и методы исследования 30
3. Агроэкологическая характеристика ОСВ и оценка их влияние на растения - индикаторы 39
3.1 Агрохимические исследования 41
3.2 Влияние ОСВ на агрофизические свойства почв 46
3.3 Биотестирование осадков сточных вод 52
3.4 Влияние ОСВ на продуктивность индикаторных культур 55
4. Изучение влияния ОСВ на почвенно-биотический комплекс 63
Заключение 83
Выводы 85
Список использованных источников 87
Введение к работе
Актуальность темы
В агроэкосистемах нарушение круговорота веществ и потока энергии происходит в основном при отторжении элементов питания с урожаем, что приводит к ее высокой уязвимости. Возможность как можно более полного возврата биогенных элементов за счет реутилизации органосодержащих отходов, является одним из способов поддержания гомеостаза в экосистемах.
В последние десятилетия возрастают объемы образующихся органосодержащих отходов в виде осадков сточных вод (ОСВ) очистных сооружений [40, 25]. В России образуется до 30 млн. тонн в год ОСВ, из которых перерабатывается около 10 %, а используются в качестве удобрений лишь 4 - 6 % [5, 130]. Как и во многих других регионах, в Оренбургской области довольно остро стоит проблема утилизации осадков бытовых сточных вод. Складирование этих отходов выводит значительные земельные площади из сельскохозяйственного оборота и служит источником вторичного загрязнения почвы, грунтовых вод и атмосферы. В то же время ОСВ это почти готовая для внесения в почву органическая масса, которая может быть использована для повышения первичной продуктивности экосистем и сохранения плодородия почвы.
Немаловажное значение в агроценозах имеет состояние почвенных организмов, которые, как правило, угнетаются интенсивной обработкой почвы и отсутствием пищевой базы при истощении органического вещества. Вследствие этого, в агроценозах происходит снижение биологического разнообразия почвенных организмов, обеспечивающих устойчивость агроэкосистем.
Использование ОСВ в качестве удобрения не требует значительных затрат средств и энергии, так как являются готовым продуктом для внесения в почву под различные культуры [32, 103].
Для того чтобы дать экологическую оценку осадкам сточных вод, их необходимо исследовать строго избирательно, так как промышленное развитие каждого региона, области, района и предприятия изменяет химический состав ОСВ.
Особые требования предъявляются к содержанию тяжелых металлов в осадках и наличию биологического загрязнения. Эти санитарно-химические факторы могут стать ограничивающими при утилизации осадков сточных вод в качестве удобрения.
Цель и задачи исследований
Цель исследования: оценить эффективность применения осадков сточных вод очистных сооружений Южно-Уральского филиала ООО «Газпромэнерго» в агроценозах.
В соответствии с этим решались следующие задачи:
1. Дать агроэкологическую оценку осадкам сточных вод очистных
сооружений.
2. Изучить влияние различных доз осадков сточных вод на
биометрические и продуктивные показатели растений - индикаторов.
Определить разнообразие и динамику численности почвенной биоты в зависимости от доз внесения осадков сточных вод.
Определить соотношения экологических групп почвенных организмов в зависимости от доз внесения осадков в опытные делянки.
Научная новизна работы
В результате проведенных комплексных исследований осадков сточных вод очистных сооружений Южно-Уральского филиала ООО «Газпромэнерго» впервые изучено влияние различных доз осадков на агроэкосистемы. Определено видовое разнообразие почвенных животных, как один из показателей для диагностики экологически безопасного применения ОСВ в агроэкосистемах. В ходе исследований определено, что увеличение доз внесения ОСВ с 40 до 80 т/га (с 1,4 до 2,9 кг/м2 органического вещества) сопряжено с увеличением численности таких групп почвенных организмов как Protozoa, Nematoda, Oribatoidea, Myriapoda, Dermaptera и Coleoptera. При этом по мере увеличения доз внесения ОСВ с 60 до 80 т/га (с 2,2 до 2,9 кг/м2 органического вещества) имеет место снижение численности таких групп организмов как Rotatoria, Collembola, Lumbricidae и Oniscoidea. Установлено, что внесение ОСВ способствует стимулированию развития разных трофических уровней организмов зоомикробиального сообщества почв.
Практическая значимость
Выявлены оптимальные дозы внесения изучаемых осадков сточных вод для формирования сообществ почвенных организмов, которые обеспечивают положительный баланс органического вещества и структурообразования, а также позволяют повысить на обыкновенных черноземах степного Оренбуржья урожайность сельскохозяйственных культур. Полученные результаты представляют интерес для почвоведов, занимающихся вопросами оценки почв, а также сельскохозяйственных предприятий различных форм собственности. Работа проводилась в рамках Областной программы «Отходы».
Основные положения, выносимые на защиту:
При внесении ОСВ происходит улучшение агрохимических и агрофизических показателей почвы, а также повышается ее микроби ологическая активность.
Внесение ОСВ в качестве удобрения способствует увеличению продуктивности растений — индикаторов.
При внесении ОСВ происходит изменение соотношения долей экологических групп почвенных беспозвоночных.
Реализация результатов исследований
Исследования проводились в рамках заказной хоздоговорной работы с ООО «Агрохим-56» № 19/07, по итогам которой составлен научный отчет и рекомендации по возможности реутилизации отходов очистных сооружений. Результаты исследования внедрены в производственную деятельность ООО «Агрохим-56» и сельскохозяйственного производственного кооператива колхоз «Урал» (акт внедрения от 10.04.2008 г.).
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы доложены на II Российской научно-практической конференции «Проблемы устойчивости биоресурсов: теория и практика» (Оренбург, 2005); на II Международной научно-практической конференции «Биоэлементы» (Оренбург, 2006); на Межвузовской монотематической конференции «Охрана окружающей среды и здоровье населения», на Международной научно-практической конференции «Проблемы устойчивости биоресурсов: теория и практика» (Оренбург, 2007); на Региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (Оренбург, 2008). Научно-исследовательская
работа «Реутилизация ОСВ в системе почва - растение» заняла первое место на конкурсе молодых ученых Оренбуржья «Экотехнология - 2006». Научно-исследовательская работа «Реутилизация органосодержащих отходов с помощью организмов - редуцентов» стала лауреатом областной выставки научно-технического творчества молодежи (Оренбург, 2007).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертаций на соискание степени кандидата и доктора биологических наук.
Всем сотрудникам кафедр биоэкологии, микробиологии, ботаники и физиологии растений, земледелия и технологии переработки продукции растениеводства ФГОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет» автор выражает свою признательность за помощь и поддержку в работе.
Особую благодарность и глубокое уважение автор выражает своему научному руководителю кандидату сельскохозяйственных наук, доценту Асе Вячеславовне Филипповой за чуткое руководство, помощь в работе, а также ценные и своевременные советы по написанию диссертации.
Проблема утилизации осадков сточных вод
Рост городского населения, развитие промышленности сопровождаются увеличением водопотребления, а вместе с тем объемов сточных вод и их осадков. Различный химический состав осадков, содержание в них токсичных веществ, в частности тяжелых металлов, яиц гельминтов и патогенной микрофлоры, делает их использование для удобрения почвы небезопасным в эколого-гигиеническом отношении.
В индустриально развитых странах в среднем на одного жителя в год образуется около 19 кг сухого вещества осадка, или 52 г на человека в сутки, а в расчете на городского жителя - около 25 кг сухого вещества.
Образование отходов в экономике России составляет около 7 млрд.т/год, в том числе 30 млн .т/год составляет осадок сточных вод (ОСВ) очистных сооружений [114, 130].
К основным методам утилизации осадков сточных вод относятся сжигание, захоронение, использование их в качестве удобрения, а также размещение на иловых площадках [61].
Как показывает зарубежный и отечественный опыт, одним из основных методов утилизации осадков служит сельскохозяйственное использование. Так, в среднем по странам в качестве удобрения используется 32,4 % осадков. При этом в Люксембурге в сельском хозяйстве применяют 90 % годового их выхода, в Швейцарии - 74 %, Польше - 50 %, Германии - 30 %, Франции -23 %, Бельгии -10% [113, 146]. Следует отметить, что за рубежом в настоящее время использование осадков сточных вод в сельском хозяйстве значительно возрастает, что позволяет экономить и минеральные удобрения [45].
В США за последние 25 лет внесение осадков сточных вод в почву увеличивалось с 0,93 до 4 млн.т (в расчете на сухое вещество). Налажено успешное использование для этих целей осадков из городов Чикаго, Мэдисон, Колумбус и др. Федеральные правила стимулируют использование осадков в качестве удобрения как почвоулучшителя [157, 153, 54].
Согласно германскому законодательству, начиная с 2005 года, осадок с содержанием органических веществ более 5 % уже нельзя отправлять на свалку. Так, что в Германии метод вывозки осадка на свалку фактически исключен. В России в качестве удобрения используется лишь 5 — 7 % осадков [40]. Тем не менее, этот метод утилизации может быть отнесен к перспективным, т.к. по содержанию тяжелых металлов значительная часть осадков удовлетворяет агроэкологическим требованиям, в том числе и международным. Даже в таких промышленных центрах, как Москва и Санкт-Петербург, имеются партии осадков, содержащие тяжелые металлы в количествах, ниже ПДК. Особенно, это относится к осадкам, образуемым в последние годы.
В России изучением применения ОСВ занимались ряд ученых [84]. Они считают реальным использование не менее 1/3 образующихся ОСВ в условиях России.
Многими авторами доказано [63, 62], что в большинстве случаев по удобрительной ценности ОСВ не уступают подстилочному навозу. Выявлено, что 10 млн.т ОСВ по содержанию сухого вещества основных элементов питания и удобрительной ценности равноценны примерно 50 млн.т навоза [131].
Осадки сточных вод многих городов по действию на агроценоз ы могут рассматриваться как ценные органические удобрения, аналогичные навозу или компостам [149, 141, 142]. В сухой массе осадков содержится 40-70 % органического вещества, 1-3 % общего азота, 1,5-6 % фосфора (Р2О5), 0,15-0,35 % калия (КгО), 3-5 % кальция (Са), а также магний, сера, другие элементы, используемые растениями для питания. Осадки городских сточных вод обычно имеют близкую к нейтральной реакцию среды (рН 6,5-8).
Наряду с питательными веществами, в муниципальных осадках могут содержаться тяжелые металлы, количество которых зависит от состава и доли промышленных сточных вод, а также способа подготовки осадков. Содержание тяжелых металлов в осадках колеблется в широких пределах и в ряде случаев может превышать установленные допустимые концентрации.
Для предотвращения загрязнения почв и производимой растительной продукции тяжелыми металлами в большинстве стран установлены национальные нормы предельно-допустимого содержания тяжелых металлов в осадках городских сточных вод, используемых на удобрение [85, 101].
В нормативных документах России [85, 110, 21] в показатели качества осадков включено 8 элементов: кадмий, хром, медь, цинк, никель, свинец, ртуть, мышьяк. В некоторых странах нормируется содержание марганца, кобальта, молибдена, сурьмы, хрома [2, 54].
Дорошкевич С.Г. и Убугунов Л.Л. (2002) в своих исследованиях ОСВ очистных сооружений г.Улан-Удэ отметили, что использование осадков как в чистом виде, так и в составе удобрительных смесей не приводило к загрязнению почв тяжелыми металлами. Кроме того, внесение ОСВ положительно влияло на агрохимические свойства аллювиальной дерновой почвы и ее структурное состояние [27].
Программа и методы исследования
Объект исследования — осадки сточных вод (ОСВ) очистных сооружений Южно-Уральского филиала ООО «Газпромэнерго», находящиеся в поселке Павловка Оренбургского района.
Изучаемые нами осадки сточных вод хранились на прилегающих к очистным сооружениям территориях. Химический анализ сточных вод, сформировавших ОСВ см. в Приложении № 1.
Программа наших исследований включала серию экспериментов по экологической оценке осадков сточных вод согласно общепринятым методам исследований [28, 80].
Опыт закладывался на ровном участке, удаленном от дорог и лесополос, не имеющего контраста по почвенному плодородию.
Опыты закладывались в четырехкратной повторности, площадь опытной делянки - 5,0 м2 (1,0 мх5,0 м).
Варианты с внесением доз ОСВ были выбраны по рекомендациям Всероссийского научно — исследовательского института удобрений и агропочвоведения им. Д.Н.Прянишникова:
1. Контроль (навоз в дозе 40 т/га);
2. ОСВ в дозе 40 т/га;
3. ОСВ в дозе 60 т/га;
4. ОСВ в дозе 80 т /га.
Опытные участки ежегодно менялись, с учетом требований по использованию осадков сточных вод [21], но закладывались на однородной по почвенно-климатическим условиям территории с. Ивановка Оренбургского района.
Основные агроклиматические показатели в годы проведения эксперимента были неодинаковые и отличались от среднемноголетних данных. Метеорологические условия в период проведения опытов даются в Приложении № 2.
Почвы экспериментального участка были представлены черноземом обыкновенным среднемощным среднесуглинистым (Приложение № 3).
Подготовка почвенных образцов для проведения изучения влияния осадков в качестве органических удобрений проводилась в соответствии с ГОСТ 26712 «Органические удобрения. Общие требования к методам анализа».
Определение таких показателей как: общий азот, нитраты, реакцию среды, общий фосфор и калий проводили в день взятия образцов при их естественной влажности. Остальные определения проводили в воздушно -сухих образцах почвы.
Определение химического состава осадков сточных вод проводили в лабораторных условиях общепринятыми методами: содержание органического вещества - методом прокаливания; общего азота -фотометрическим методом в модификации ЦИНАО; общего фосфора -спектрофотометрическим методом; калий - пламенно-эмиссионным методом; реакцию почвенного раствора — потенциометрическим методом на рН-метре [1,3].
Исследования ОСВ на содержание макро- и микроэлементов определяли фотометрическим методом.
Определение содержания тяжелых металлов в ОСВ и почве проводили атомно-абсорбционным методом [79].
Также мы определяли агрофизические показатели: агрегатный состав ОСВ и почвы методом сухого просеивания (по Н.И.Саввинову); удельную массу с помощью пикнометра; влажность методом сжигания спирта и термостатно - весовым методом; водопрочность структуры почвенных агрегатов определялась методом Д.Г.Виленского; максимальную гигроскопичность почвы по методу А.В.Николаева; максимальную молекулярную влагоемкость по методу А.Ф.Лебедева [14].
Обязательные исследования осадков сточных вод и почвы на биологическое загрязнение яйцами гельминтов и цисты патогенных простейших проводили флотационным методом по Н.А.Романенко, 1996 [67].
Определение наличия бактерий группы кишечной палочки проводили методом посева на среду Эндо с последующей инкубацией при температуре 37 С в течение 2 суток [68].
Для определения токсичности изучаемых ОСВ применяли метод биотестирования выращиванием кресс - салата (Lepidium sativum) в весеннее - летний период 2004 г.
Агрохимические исследования
Нами были обследованы осадки сточных вод, состав которых сравним с традиционным видом органического удобрения - подстилочным навозом [16]. При проведении химического анализа было выявлено превышение содержания общего азота на 46,4 % по сравнению с подстилочным навозом, общего фосфора - на 80,0 %, а органического вещества больше в 2,79 раз. Содержание калия в исследуемых ОСВ ниже в 2 раза относительно подстилочного навоза, что характерно для многих осадков сточных вод. Анализ состава изучаемых ОСВ показал их высокую удобрительную ценность как органического удобрения, не уступающую навозу, а по некоторым показателям превосходящую его.
Мы провели сравнительный анализ химического состава ОСВ нескольких очистных сооружений и крупных станций аэрации Российской Федерации, и пришли к выводу, что по основным показателям осадки очистных сооружений поселка Павловка не выходят за рамки допустимых норм Российской Федерации (таблица 3.3).
При сравнении данных по химическому составу ОСВ некоторых очистных сооружений и станций аэрации крупных городов России нами было выявлено, что содержание общего азота в изучаемых ОСВ на 33 % и на 11 % больше, чем в осадках сточных вод Курьяновской и Санкт-Петербургской станции аэрации, соответственно. Количество органического вещества несколько меньше, чем в сравниваемых осадках, что вероятно связано с высокой микробиологической активностью изучаемых ОСВ переводящих органические формы в минеральные.
Концентрации тяжелых металлов в изучаемых ОСВ ниже в десятки раз, по сравнению с данными по составу других ОСВ. Так, концентрация Zn в Павловских ОСВ ниже, чем в ОСВ Сочинских городских очистных сооружений в 13,8 раз, а концентрация РЬ ниже в 46,6 раз.
Концентрации Cd и Ni в исследуемых ОСВ ниже в 43 и 31 раз, соответственно, чем в осадках Пушкинской станции аэрации. Осадки сточных вод очистных сооружений АО «Щекино-азот» содержат в 1,2 раза больше Сг и в 1,4 раза больше Си, чем ОСВ очистных сооружений поселка Павловка.
В ОСВ очистных сооружений г.Оренбурга концентрация Zn не только была выше, чем в других осадках, но и значительно превышала ПДК. Кроме того, значение рНсол достигало максимально возможного для осадков, согласно СанПиНу 2.1.7.573-96, и составило 8,3.
Особые требования предъявляются к содержанию тяжелых металлов в осадках сточных вод (таблица 3.4).
Данный санитарно-химический фактор часто становится ограничивающим при утилизации ОСВ в качестве удобрения. Для предотвращения загрязнения почв и производимой растительной продукции тяжелыми металлами, в нашей стране установлены нормы ПДК тяжелых металлов в осадках городских сточных вод, используемых на удобрение [85].
Низкие концентрации тяжелых металлов в изучаемых ОСВ не привели к накоплению их выше предельно-допустимых концентраций в почве после внесения ОСВ в различных дозах (таблица 3.5). В наших опытных делянках концентрации тяжелых металлов были значительно ниже ПДК [89] по всем изучаемым вариантам.
Большое влияние на накопление, подвижность и степень доступности для растений тяжелых металлов оказывает реакция почвенного раствора.
Почвы опытного участка характеризуются водородным показателем близкого к нейтральной (6,74) в верхних горизонтах (0-40 см). Нижележащие горизонты имели тенденцию к сдвигу рН в щелочную сторону и показатель составляет 7,20 (таблица 3.6).
Ряд авторов в своих исследованиях наблюдали подкисление почвы после внесения ОСВ, предположительно, за счет корневых выделении произрастающих растений [105, 159] и режима полива [143].
К концу опыта происходит незначительное подкисление почвы, что видимо, связано с увеличением углекислоты, выделяемой при разложении органического вещества почвенной биотой.
